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探索人形機器人的奧秘

丁漢 陶波
2024年07月16日07:56 | 來源:人民網-人民日報
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人們一直夢想擁有像人一樣的智能機器助手。戰國時期《列子·湯問》中的工匠偃師制造了能夠模擬人類動作行為、能歌善舞的偶人;希臘神話中的赫菲斯托斯鑄造了金屬巨人塔羅斯以守護家園;經典科幻作品《我,機器人》暢想2035年機器人不僅具備高超的運動能力,還衍生出人類情感,高度融入人類生活。如今,隨著人工智能與機器人技術迅猛發展,創造仿人智能伙伴的想法逐漸成為現實,人形機器人將在工業生產、醫療健康、科學探索等領域發揮重要作用,助力人類邁向更加美好的未來。

歷經三大發展階段,人形機器人通用化智能化進程正在加速

人形機器人也稱仿人機器人,是指具有人類形態和功能的智能機械體。它們通常擁有頭部、軀干和四肢等類人結構,具備感知決策、運動控制、肢體執行等能力,能夠利用先進的傳感器捕捉視覺、觸覺和聽覺等信息,并通過控制系統實現類似于人類神經傳導的功能,用伺服電機模擬人類關節運動。這些類人特性使得人形機器人能夠適應人類生活和工作的各種場景,不僅可以承擔繁重危險的任務,也能通過交互協作成為人類得力助手。

自上世紀60年代至今,人形機器人的發展歷程大致分為三個階段。在千禧年之前的早期探索中,人形機器人可以行走,并在手部功能上實現外觀仿形和簡單運動。在其后10余年的智能化起步階段,人形機器人具備初級感知功能,可以有限度地與外界環境互動,并且運動自由度有所提升。2016年至今是智能化進階階段,人形機器人搭載起人工智能、機器學習和計算機視覺系統等先進技術,提升了感知和認知功能,不僅能夠靈活敏捷地適應外界環境,而且具備通識理解能力。當前,人形機器人在環境理解和智能交互等領域取得顯著進展,通用化智能化進程正在加速。

從世界范圍內看,全球人形機器人研發競爭激烈,很多國家和地區已將發展人形機器人產業提升至國家戰略高度。我國人形機器人研究與產業尚處培育期,但已呈現出加速發展趨勢,涌現出一批具有國際競爭力的人形機器人企業,部分技術成果已接近國際領先水平。

對人體的高度復刻需要前沿科學、尖端技術深度交叉融合

人形機器人的結構設計是對奇妙人體的重塑,不僅需要多學科交叉融合,更是尖端科技的集大成者。其設計原理主要包含以下幾個方面。

仿生學與機械工程的有機融合。設計人形機器人,需要運用仿生學原理,通過模仿人類的身體結構和運動規律,為機器人創造類似骨骼、關節、肌肉和皮膚系統的機械結構。這不僅使其能夠像人類一樣自然地運動,還具備靈活性和適應性。機械工程理論的新發現,則保證了人形機器人結構的穩固。精確選擇材料、巧妙設計結構,能夠讓人形機器人保持穩定高效的運行狀態,從而勝任復雜任務。

傳感技術與控制理論的集成突破。傳感器扮演著人類感知器官的角色,能夠像眼睛、耳朵和皮膚一樣感知環境信息。視覺傳感器通過攝像頭捕捉環境圖像,讓人形機器人能夠識別物體、區分顏色和形狀;聲音傳感器接收并解析語音指令,使人形機器人能夠聽懂和回應人類的話語;力覺傳感器仿效人體的力覺感受,使人形機器人能夠精確感知與外界交互過程中的接觸力;觸覺傳感器模仿人類觸覺,幫助人形機器人精準感知物體的形狀和硬度?刂葡到y是人形機器人的大腦,借助計算單元和智能算法,處理獲取的數據并作出決策。在這個過程中,多種智能算法的應用讓機器人越來越接近人類。比如,強化學習方法通過試錯學習,調整行為策略;深度學習方法利用深度神經網絡,處理視覺、語音識別等任務;自然語言處理方法使人形機器人能夠理解人類語言并進行交互。人形機器人集成多種傳感器與智能控制算法,突破了過去感控方法單一的局限性。

驅動方式與執行動作的精準協調。人形機器人的驅動器負責將能源轉換為機械運動,根據能量轉換方式的不同,驅動方式可分為電機、液壓、氣動等,如高效電動馬達、精密液壓系統、氣動人工肌肉等。執行器則負責具體操作,可完成抓取、搬運或其他高精度動作。驅動方式與執行動作的精準協調就像是力量與動作的完美映射,通過驅動方式的選取與執行動作的調控,人形機器人甚至能復現人類的微笑、皺眉、驚訝等表情,從而更加親切自然地與人類互動。

人形機器人面臨四大技術挑戰

雖然人形機器人的科學原理不斷清晰明朗,但當前還有一些技術挑戰需要勠力攻克。

健壯靈活的四肢。人形機器人需要具備強有力且活動范圍大的四肢,以做出多樣化動作。由于電驅動成本低、靈活度高、動力強勁,大部分人形機器人都采用基于電機、驅動器和電池的電動關節形式。當前,電池、印刷電路板等產業鏈較為暢通完善,為實現電動關節的低成本制造提供便利,也為人形機器人的大規模生產奠定基礎。然而,要實現更強動力、更輕重量和更高控制精度,需要對關節進行電、磁、熱、機械等多維度的物理優化設計。

敏銳強大的神經。人形機器人神經系統的主要任務是感知外部環境并對數據進行處理,以支持智能決策的制定。實現高效感知的關鍵在于先進傳感器技術和強大數據處理能力。有的科技企業已將無人駕駛汽車的傳感器系統應用于機器人研發,使人形機器人能夠實時感知周圍環境并精確處理數據。比如,激光雷達系統精確測量周圍環境,有效提升人形機器人感知能力;深度相機捕捉的高精度三維圖像,提供詳細環境信息;柔性薄膜傳感器像人形機器人的“皮膚”,感知壓力和觸碰。隨著傳感器數量增加,提升傳感器數據的實時性和準確性,有效整合處理數據,成為新的研究方向。

流暢協調的小腦。類似于人類小腦,人形機器人需要依賴先進的運動學和動力學控制算法,實現復雜動作的協調控制和流暢完成。這需要精確的運動學建模和實時的運動規劃控制。我國在這一領域取得進展,特別是在運動控制算法和傳感器融合方面卓有成效。然而,與傳統的工業機械臂和柔性機械臂相比,由于人形機器人自由度高、動作模型復雜,其高精度運動控制和實時響應速度仍有提升空間。

博學智能的大腦。人形機器人真正的“靈魂”在于智能行為和決策能力,這決定了其應用的廣度和深度。要實現高度智能化的行為,人形機器人需要具備強大的計算能力和先進的人工智能算法。在人工智能領域,核心算法和系統集成是我們的努力方向。要不斷增強人工智能的自主學習能力,提升系統集成度,開發更為智能和自主的決策系統,以實現人形機器人的真正智能化。

人形機器人發展重要時期即將來臨

人形機器人作為人工智能、高端制造、新材料等尖端技術的集大成者,其應用前景無比廣闊。未來3—5年,將是人形機器人發展的重要時期。在此期間,我們有望見證關鍵技術的突破,如高性能核心零部件的研制、人工智能算法的深度應用等,為產業化發展奠定堅實基礎。同時,隨著技術日益成熟、成本逐漸降低,人形機器人有望突破成本瓶頸,實現規;慨a,從而應用于更廣泛領域。

讓我們設想一組未來場景:在工廠中,人形機器人與技術工人并肩勞動、互為補充,極大提升生產效率;在家庭中,人形機器人化身貼心的管家,照顧老人、陪伴孩子,甚至可以處理繁瑣的家務;在醫療領域,人形機器人可執行高精度的手術,拯救生命;在應急處置中,它們勇往直前、深入險境、開展救援。此外,在國家重大工程、科研探索等諸多領域,人形機器人也將發揮重要作用。

人形機器人是機器人技術的制高點,也是科技競爭的新高地、未來產業的新賽道、經濟發展的新動能,將深刻影響人類生產生活方式和全球產業發展。當前,中國人形機器人產業正面臨前所未有的發展機遇,政府大力支持,科研院校聚焦技術攻關,科技企業百舸爭流,共同建立完善產業生態。置身其中,我們深感科技的創新力量,更見證了人類智慧的璀璨光芒。相信在多方共同努力下,人形機器人將幫助人類邁向更加智能、便捷、高效的生活。

(作者丁漢為中國科學院院士、華中科技大學教授,陶波為華中科技大學教授)

《 人民日報 》( 2024年07月16日 20 版)

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(責編:邢鄭、吳昊)

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